DE102018121839A1

DE102018121839A1 - Rotation angle measuring unit and method for measuring an absolute rotation angle of a multi-phase electrical machine

Info

Publication number: DE102018121839A1
Application number: DE102018121839.7A
Authority: DE
Inventors: Dominik Stretz; Christian Hessler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-03-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines absoluten Drehwinkels einer mehrphasigen elektrischen Maschine, welche einen Stator und einen gegenüber dem Stator rotierbaren Rotor umfasst. Die elektrische Maschine umfasst weiterhin einen Rotorlagegeber, der mindestens eine umlaufende Magnetisierungsspur mit einer Mehrzahl an wechselnden magnetischen Polen als einen Enkoder aufweist. Zumindest einer der Pole der mindestens einen Magnetisierungsspur weist eine sich von den einzelnen Magnetisierungen der übrigen Pole unterscheidende Magnetisierung auf und bildet dadurch einen Referenzpol. Dem Referenzpol ist eine Referenzdrehwinkelposition zugeordnet. In einem Schritt des Verfahrens erfolgt ein Detektieren des mindestens einen Referenzpols während einer ersten Umdrehung des Rotors, wodurch die Referenzdrehwinkelposition während der ersten Umdrehung des Rotors erfasst wird. Die weiteren Pole werden detektiert, während sich der Rotor nach dem Erfassen der Referenzdrehwinkelposition weiterdreht, um eine relative Veränderung des Drehwinkels zu bestimmen. Erfindungsgemäß wird der absolute Drehwinkel des Rotors durch ein Addieren der relativen Veränderung des Drehwinkels zu der erfassten Referenzdrehwinkelposition bestimmt. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Drehwinkelmesseinheit zum Messen eines absoluten Drehwinkels einer mehrphasigen elektrischen Maschine.

The present invention relates to a method for measuring an absolute angle of rotation of a multi-phase electrical machine, which comprises a stator and a rotor which is rotatable relative to the stator. The electrical machine further comprises a rotor position sensor, which has at least one revolving magnetization track with a plurality of alternating magnetic poles as an encoder. At least one of the poles of the at least one magnetization track has a magnetization that differs from the individual magnetizations of the other poles and thereby forms a reference pole. A reference rotational angle position is assigned to the reference pole. In one step of the method, the at least one reference pole is detected during a first revolution of the rotor, as a result of which the reference rotational angle position is detected during the first revolution of the rotor. The other poles are detected while the rotor continues to rotate after the detection of the reference rotational angle position in order to determine a relative change in the rotational angle. According to the invention, the absolute angle of rotation of the rotor is determined by adding the relative change in the angle of rotation to the detected reference angle of rotation position. Furthermore, the invention relates to a rotation angle measuring unit for measuring an absolute rotation angle of a multi-phase electrical machine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Messen eines absoluten Drehwinkels einer mehrphasigen elektrischen Maschine. Bei der elektrischen Maschine kann es sich um einen elektrischen Motor handeln, welcher unter Nutzung des Verfahrens feldorientiert geregelt wird. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Drehwinkelmesseinheit zum Messen eines absoluten Drehwinkels einer mehrphasigen elektrischen Maschine.The present invention initially relates to a method for measuring an absolute angle of rotation of a multi-phase electrical machine. The electrical machine can be an electrical motor, which is controlled in a field-oriented manner using the method. Furthermore, the invention relates to a rotation angle measuring unit for measuring an absolute rotation angle of a multi-phase electrical machine.

Die DE 10 2013 203 388 B3 zeigt einen Rotorlagegeber für eine einen Stator und einen Rotor aufweisende elektronisch kommutierte elektrische Maschine. Ein am Stator drehfest gelagerter Rotorlagesensor dient zur Erfassung der rotatorischen Lage des Rotors gegenüber dem Magnetfeld des Stators. Am Rotor ist ein Signalgeber drehfest gelagert. Der Rotorlagegeber zeichnet sich dadurch aus, dass er einen Referenzgeber zum Erfassen von Referenzwerten der magnetischen Flussdichte des Rotorfeldes aufweist, wobei die Referenzwerte zur Ermittlung eines Winkeloffsets zwischen Signalgeber und der Lage des Rotors dienen.The DE 10 2013 203 388 B3 shows a rotor position encoder for an electronically commutated electrical machine having a stator and a rotor. A rotor position sensor mounted on the stator in a rotationally fixed manner serves to detect the rotational position of the rotor relative to the magnetic field of the stator. A signal transmitter is mounted on the rotor so that it cannot rotate. The rotor position sensor is characterized in that it has a reference sensor for detecting reference values of the magnetic flux density of the rotor field, the reference values being used to determine an angular offset between the signal transmitter and the position of the rotor.

Die DE 10 2008 042 829 A1 lehrt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleich des Offsets eines Rotorlagegebers einer elektrischen Maschine, bei dem die Schnittpunkte der Phasenspannungssignale der elektrischen Maschine unter Verwendung von Komparatoren ermittelt werden.The DE 10 2008 042 829 A1 teaches a method and a device for compensating the offset of a rotor position sensor of an electrical machine, in which the intersection points of the phase voltage signals of the electrical machine are determined using comparators.

Die DE 10 2012 204 147 A1 zeigt ein Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors. Ein absolut messender Rotorlagesensor dient zum Überwachen eines Drehwinkels eines Rotors.The DE 10 2012 204 147 A1 shows a method for controlling an electronically commutated electric motor. An absolutely measuring rotor position sensor is used to monitor a rotation angle of a rotor.

Aus der DE 10 2011 105 502 A1 ist ein Verfahren zum Abgleich eines Phasenversatzes zwischen einem Rotorlagesensor und einer Rotorlage eines elektronisch kommutierten Motors bekannt, welches sowohl während der Inbetriebnahme als auch bei Betrieb des Motors durchgeführt werden kann. Die Position des Rotors wird mit einem Absolutwert-Rotorlagesensor gemessen, welche mit einem Motorparameter ins Verhältnis gesetzt wird, der die erwartete Position des Rotors charakterisiert. Hierdurch soll der Versatz, der beispielsweise im Zusammenbau des Motors mit dem Rotorlagesensor auftritt, automatisch auch während des Betriebes korrigiert werden können.From the DE 10 2011 105 502 A1 a method for adjusting a phase offset between a rotor position sensor and a rotor position of an electronically commutated motor is known, which can be carried out both during commissioning and during operation of the motor. The position of the rotor is measured with an absolute rotor position sensor, which is related to a motor parameter that characterizes the expected position of the rotor. This should automatically be able to correct the offset which occurs, for example, when the motor is assembled with the rotor position sensor, even during operation.

Aus der DE 102 53 388 B4 ist ein Verfahren zum Justieren einer Sensorvorrichtung zur Bestimmung der Drehlage eines Rotors eines elektronisch kommutierten Motors bekannt. Die von der Sensorvorrichtung während einer Umdrehung des Rotors erzeugten Inkremente werden erfasst. Der Motor wird angetrieben und die von dem Motor induzierten Spannungen werden erfasst, wobei von den induzierten Spannungen die Winkellage des Rotors und ein gesuchter Kommutierungswinkel abgeleitet werden. Die erfasste Winkellage wird mit den Inkrementen der Sensorvorrichtung korreliert.From the DE 102 53 388 B4 a method for adjusting a sensor device for determining the rotational position of a rotor of an electronically commutated motor is known. The increments generated by the sensor device during one revolution of the rotor are recorded. The motor is driven and the voltages induced by the motor are detected, the angular position of the rotor and a sought commutation angle being derived from the induced voltages. The detected angular position is correlated with the increments of the sensor device.

Die DE 102 13 375 A1 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen eines Kommutierungsoffsets aus der Abweichung der tatsächlichen Position des Läufers einer Synchronmaschine von einem steuerungsinternen Kommutierungswinkel. Der Kommutierungswinkel wird aus einem Positionssignal abgeleitet, das von einer die Läuferposition erfassenden Positionsmesseinrichtung abgegeben wird. Ein Strom-Sollwert wird auf Null gesetzt, sodass der Läufer und der Ständer relativ zueinander bewegt werden. Der Verlauf einer Regler-Ausgangsspannung wird erfasst und mit dem Verlauf eines steuerungsinternen Kommutierungswinkels verglichen, wodurch der Kommutierungsoffset bestimmt wird.The DE 102 13 375 A1 shows a method for determining a commutation offset from the deviation of the actual position of the rotor of a synchronous machine from a control-internal commutation angle. The commutation angle is derived from a position signal that is emitted by a position measuring device that detects the rotor position. A current setpoint is set to zero so that the rotor and the stator are moved relative to each other. The course of a controller output voltage is recorded and compared with the course of an internal commutation angle, which determines the commutation offset.

Die DE 10 2006 033 525 A1 zeigt einen Absolutwert-Drehwinkelsensor mit einem drehbaren Sensormagneten und mit Sensoren zur Erfassung vektorieller Komponenten eines Magnetflusses der Sensormagneten. Die Sensoren sind derart angeordnet, dass sie zur Erzeugung von Rotorstellungssignalen geeignet sind, welche eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.The DE 10 2006 033 525 A1 shows an absolute value angle of rotation sensor with a rotatable sensor magnet and with sensors for detecting vectorial components of a magnetic flux of the sensor magnets. The sensors are arranged in such a way that they are suitable for generating rotor position signals which have a phase difference of 90 °.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen absoluten Drehwinkel einer mehrphasigen elektrischen Maschine aufwandsarm messen zu können, um beispielsweise störende Geräusche der elektrischen Maschine und/oder die mechanische Anregung einer angeschlossener Getriebestufe besser reduzieren zu können.Starting from the prior art, the object of the present invention is to be able to measure an absolute angle of rotation of a multi-phase electrical machine with little effort, in order, for example, to be able to better reduce disturbing noises of the electrical machine and / or the mechanical excitation of a connected gear stage.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Drehwinkelmesseinheit gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.The stated object is achieved by a method according to the appended claim 1. The stated object is further achieved by a rotation angle measuring unit according to the attached independent claim 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Messen eines absoluten Drehwinkels einer mehrphasigen elektrischen Maschine. Bei der elektrischen Maschine kann es sich insbesondere um einen elektrischen Motor oder um einen Generator handeln. Der elektrische Motor ist bevorzugt durch einen Radnabenmotor eines Fahrzeuges gebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt zur feldorientierten Regelung des Motors genutzt. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen gegenüber dem Stator rotierbaren Rotor. Der Rotor umfasst bevorzugt mindestens einen Permanentmagneten. Die elektrische Maschine ist bevorzugt bürstenlos.The method according to the invention is used to measure an absolute angle of rotation of a multi-phase electrical machine. The electric machine can in particular be an electric motor or a generator. The electric motor is preferably formed by a wheel hub motor of a vehicle. The method according to the invention is preferably used for field-oriented control of the motor. The electrical machine comprises a stator and a rotor that is rotatable relative to the stator. The rotor preferably comprises at least one permanent magnet. The electrical machine is preferably brushless.

Die elektrische Maschine umfasst einen Rotorlagegeber, welcher eine drehfest mit dem Rotor verbundene Komponente umfasst. Der Rotorlagegeber umfasst mindestens eine umlaufende Magnetisierungsspur mit einer Mehrzahl an wechselnden magnetischen Polen als einen Enkoder. Dieser Enkoder wird auch als Multipolenkoder bezeichnet. Die wechselnden magnetischen Pole sind durch Nordpole und Südpole gebildet. Die Anzahl der Pole ist bevorzugt größer als vier. Die Pole weisen jeweils eine Magnetisierung auf. Der Enkoder ist bevorzugt drehfest mit dem Rotor verbunden. Die mindestens eine umlaufende Magnetisierungsspur ist bevorzugt ringförmig ausgebildet und koaxial zu einer Drehachse des sich drehenden Rotors angeordnet. The electrical machine comprises a rotor position sensor, which comprises a component connected to the rotor in a rotationally fixed manner. The rotor position encoder comprises at least one revolving magnetization track with a plurality of alternating magnetic poles as an encoder. This encoder is also known as a multi-pole encoder. The alternating magnetic poles are formed by north poles and south poles. The number of poles is preferably greater than four. The poles each have magnetization. The encoder is preferably connected to the rotor in a rotationally fixed manner. The at least one circumferential magnetization track is preferably ring-shaped and arranged coaxially with an axis of rotation of the rotating rotor.

Zumindest einer der Pole der mindestens einen Magnetisierungsspur weist eine sich von den einzelnen Magnetisierungen der übrigen Pole unterscheidende Magnetisierung auf, sodass dieser Pol einen Referenzpol bildet. Die Magnetisierung des Referenzpols unterscheidet sich bevorzugt quantitativ von den einzelnen Magnetisierungen der übrigen Pole, sodass sie kleiner oder größer als die einzelnen Magnetisierungen der übrigen Pole ist. Der Unterschied zwischen der Magnetisierung des Referenzpols und den einzelnen Magnetisierungen der übrigen Pole ist größer als eine Fertigungstoleranz der Pole. Der Unterschied ergibt sich bevorzugt durch eine Singularität der mindestens einen umlaufenden Magnetisierungsspur. Die Singularität kann beispielsweise durch eine Fügestelle der umlaufenden Magnetisierungsspur gebildet sein. Bevorzugt ist dieser Unterschied durch eine bei der Herstellung des Rotorlagegebers gezielt bewirkte unterschiedliche Magnetisierung des Referenzpols bedingt.At least one of the poles of the at least one magnetization track has a magnetization that differs from the individual magnetizations of the other poles, so that this pole forms a reference pole. The magnetization of the reference pole preferably differs quantitatively from the individual magnetizations of the other poles, so that it is smaller or larger than the individual magnetizations of the other poles. The difference between the magnetization of the reference pole and the individual magnetizations of the other poles is greater than a manufacturing tolerance of the poles. The difference results preferably from a singularity of the at least one revolving magnetization track. The singularity can be formed, for example, by a joint of the rotating magnetization track. This difference is preferably caused by a different magnetization of the reference pole, which is specifically brought about in the manufacture of the rotor position sensor.

Dem Referenzpol ist eine absolute Referenzdrehwinkelposition zugeordnet, sodass bekannt ist, welchen absoluten Drehwinkel der Rotor aufweist, wenn der Referenzpol eine bestimmte Position gegenüber dem Stator aufweist, in welcher er detektierbar ist.An absolute reference rotation angle position is assigned to the reference pole, so that it is known what absolute rotation angle the rotor has when the reference pole has a specific position relative to the stator in which it can be detected.

Im Falle von zwei Magnetisierungspuren weist bevorzugt jede der Magnetisierungspuren einen der Referenzpole auf, wobei die Referenzpole derselben absoluten Referenzdrehwinkelposition zugeordnet sind.In the case of two magnetization tracks, each of the magnetization tracks preferably has one of the reference poles, the reference poles being assigned to the same absolute reference rotational angle position.

In einem Schritt des Verfahrens erfolgt ein Detektieren des mindestens einen Referenzpols während einer ersten Umdrehung des Rotors. Hierdurch wird die Referenzdrehwinkelposition während der ersten Umdrehung des Rotors erfasst. Im Moment des Detektierens des mindestens einen Referenzpols weist der Rotor die absolute Referenzdrehwinkelposition auf.In one step of the method, the at least one reference pole is detected during a first revolution of the rotor. As a result, the reference rotational angle position is detected during the first rotation of the rotor. When the at least one reference pole is detected, the rotor has the absolute reference rotational angle position.

Während sich der Rotor nach dem Erfassen der Referenzdrehwinkelposition weiterdreht, werden die weiteren Pole der mindestens einen umlaufenden Magnetisierungsspur detektiert, um eine relative Veränderung des Drehwinkels zu bestimmen. Die relative Veränderung des Drehwinkels ist die Differenz zur Referenzdrehwinkelposition und weist bevorzugt ein Vorzeichen auf.While the rotor continues to rotate after the detection of the reference rotational angle position, the further poles of the at least one rotating magnetization track are detected in order to determine a relative change in the rotational angle. The relative change in the angle of rotation is the difference from the reference angle of rotation position and preferably has a sign.

Erfindungsgemäß erfolgt ein Bestimmen des absoluten Drehwinkels des Rotors durch ein Addieren der relativen Veränderung des Drehwinkels zu der erfassten Referenzdrehwinkelposition.According to the invention, the absolute rotation angle of the rotor is determined by adding the relative change in the rotation angle to the detected reference rotation angle position.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels des Rotors im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Bestimmung eines relativen Drehwinkels kein besonderer Sensor oder dergleichen erforderlich istA particular advantage of the method according to the invention is that no special sensor or the like is required to determine the absolute angle of rotation of the rotor compared to a determination of a relative angle of rotation known from the prior art

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zum Detektieren der magnetischen Pole zwei phasenversetzte Signale gegenüber der mindestens einen Magnetisierungsspur gemessen. Die phasenversetzten Signale sind bevorzugt jeweils sinusförmig. Eine Phasendifferenz der beiden phasenversetzten Signale beträgt bevorzugt 90°. Zum Bestimmen der relativen Veränderung des Drehwinkels wird bevorzugt ein Arkusfunktionswert für einen Quotienten der beiden phasenversetzten Signale bestimmt. Bei dem Arkusfunktionswert handelt es sich bevorzugt um einen Arkustangensfunktionswert, wobei bevorzugt die Vorzeichen der beiden phasenversetzte Signale berücksichtigt werden, was insbesondere zu einem Arkustangens(2)-Funktionswert führt (arctan2). Zum Messen der beiden phasenversetzten Signale dienen zwei Magnetfeldsensoren, welche gegenüber der mindestens einen Magnetisierungsspur angeordnet sind. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt drehfest bzw. fest am Stator angebracht. Bei den zu verwendenden Magnetfeldsensoren handelt es sich bevorzugt um AMR-Messbrücken oder um Hall-Sensoren. Grundsätzlich können die zu verwendenden Magnetfeldsensoren aber auch durch andere Sensoren gebildet sein, mit denen magnetische Eigenschaften detektierbar sind.In preferred embodiments of the method according to the invention, two phase-shifted signals are measured in relation to the at least one magnetization track in order to detect the magnetic poles. The phase-shifted signals are preferably sinusoidal. A phase difference between the two phase-shifted signals is preferably 90 °. To determine the relative change in the angle of rotation, an arc function value is preferably determined for a quotient of the two phase-shifted signals. The arc function value is preferably an arctangent function value, the signs of the two phase-shifted signals preferably being taken into account, which leads in particular to an arctangent (2) function value (arctan2). Two magnetic field sensors, which are arranged opposite the at least one magnetization track, are used to measure the two phase-shifted signals. The magnetic field sensors are preferably attached to the stator in a rotationally fixed or fixed manner. The magnetic field sensors to be used are preferably AMR measuring bridges or Hall sensors. In principle, the magnetic field sensors to be used can also be formed by other sensors with which magnetic properties can be detected.

Bei einem Drehen des Rotors führt jeder der Pole zu jeweils einer Periode der beiden phasenversetzten Signale. Diese Perioden werden auch als elektrische Perioden bzw. elektrische Umdrehungen bezeichnet und sind entsprechend der Anzahl der Pole ein Bruchteil der Periode einer vollständigen Umdrehung des Rotors. Die Periode einer vollständigen Umdrehung des Rotors wird auch als mechanische Periode bzw. mechanische Umdrehung bezeichnet. Die relative Veränderung des Drehwinkels ist durch die Perioden der beiden phasenversetzten Signale bestimmbar. Bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors um 360° werden mehrere der elektrischen Perioden der beiden phasenversetzten Signale erzeugt. Jede dieser Perioden repräsentiert einen gleichen Bruchteil des vollen Drehwinkels der Rotation des Rotors. When the rotor is rotated, each of the poles leads to a period of the two phase-shifted signals. These periods are also referred to as electrical periods or electrical revolutions and, depending on the number of poles, are a fraction of the period of a complete revolution of the rotor. The period of a complete revolution of the rotor is also referred to as a mechanical period or mechanical revolution. The relative change in the angle of rotation is due to the periods of the two phase-shifted signals determinable. With a complete rotation of the rotor by 360 °, several of the electrical periods of the two phase-shifted signals are generated. Each of these periods represents an equal fraction of the full angle of rotation of the rotor.

Der Arkusfunktionswert bildet durch das Rotieren des Rotors bevorzugt ein Dreiecksignal, welches periodisch von 0° auf 360° der elektrischen Umdrehung steigt und sprunghaft auf 0° fällt. Aufgrund einer nicht idealen Magnetisierung der Pole wird der Arkusfunktionswert bevorzugt mit einem Korrekturwert bewertet, um das Dreiecksignal zu kalibrieren, sodass die relative Veränderung des Drehwinkels möglichst genau messbar ist.By rotating the rotor, the arc function value preferably forms a triangular signal which increases periodically from 0 ° to 360 ° of the electrical revolution and suddenly drops to 0 °. Because the poles are not ideally magnetized, the arc function value is preferably evaluated with a correction value in order to calibrate the triangular signal, so that the relative change in the angle of rotation can be measured as precisely as possible.

Die beiden phasenversetzten Signale werden bevorzugt auch dazu genutzt, um den Referenzpol bzw. die beiden Referenzpole zu detektieren. Die beiden phasenversetzten Signale besitzen, wenn der Rotor die Referenzdrehwinkelposition aufweist, bevorzugt eine kleinere Amplitude oder eine größere Amplitude als in Drehwinkelpositionen, bei denen die beiden phasenversetzten Signale durch die anderen Pole bewirkt werden. In der Referenzdrehwinkelposition werden die beiden phasenversetzten Signale durch die beiden Referenzpole bewirkt. Die beiden phasenversetzten Signale besitzen, wenn der Rotor die Referenzdrehwinkelposition aufweist, eine Amplitude, die sich bevorzugt um mindestens 5 % von der Amplitude in Drehwinkelpositionen unterscheidet, bei denen die beiden phasenversetzten Signale durch die anderen Pole bewirkt werden.The two phase-shifted signals are preferably also used to detect the reference pole or the two reference poles. If the rotor has the reference rotational angle position, the two phase-shifted signals preferably have a smaller amplitude or a larger amplitude than in rotation-angle positions in which the two phase-shifted signals are brought about by the other poles. In the reference rotational angle position, the two phase-shifted signals are brought about by the two reference poles. If the rotor has the reference rotational angle position, the two phase-shifted signals have an amplitude which preferably differs by at least 5% from the amplitude in rotational angle positions in which the two phase-shifted signals are caused by the other poles.

Die abweichende Magnetisierung der beiden Referenzpole führt bevorzugt nicht dazu, dass die relative Veränderung des Drehwinkels in der durch die Referenzpole bewirkten elektrischen Periode verfälscht ist. Entsprechend weist der Arkusfunktionswert bei einem Drehen des Rotors in der durch die Referenzpole bewirkten Perioden der einzelnen phasenversetzten Signale jeweils einen gleichen Verlauf wie in den durch die anderen Pole bewirkten Perioden der einzelnen phasenversetzten Signale auf. Insofern die abweichende Magnetisierung der beiden Referenzpole dazu führt, dass die relative Veränderung des Drehwinkels in der durch die Referenzpole bewirkten elektrischen Periode verfälscht ist, wird bevorzugt eine Korrektur vorgenommen, sodass der Arkusfunktionswert die relativen Veränderung des Drehwinkels auch in der durch die Referenzpole bewirkten elektrischen Periode korrekt wiedergibt.The differing magnetization of the two reference poles preferably does not lead to the fact that the relative change in the angle of rotation in the electrical period caused by the reference poles is falsified. Correspondingly, when the rotor is turned in the periods of the individual phase-shifted signals caused by the reference poles, the arc function value has the same course as in the periods of the individual phase-shifted signals caused by the other poles. Insofar as the different magnetization of the two reference poles leads to the fact that the relative change in the angle of rotation in the electrical period caused by the reference poles is falsified, a correction is preferably made so that the arc function value also the relative change in the angle of rotation in the electrical period caused by the reference poles reproduces correctly.

Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Rotorlagegeber zwei der Magnetisierungsspuren, die gleich ausgebildet sind und einen Drehwinkelversatz zueinander aufweisen. Der Drehwinkelversatz beträgt bevorzugt eine Hälfte eines durch den Abstand der Pole definierten Drehwinkels, was einem Viertel eines durch den Abstand der Nordpole bzw. Südpole definierten Drehwinkels entspricht. Die beiden phasenversetzten Signale werden bevorzugt jeweils durch ein Messen gegenüber einer der beiden Magnetisierungsspuren gewonnen. Die beiden phasenversetzten Signale werden auch als Sin/Cos-Signale bezeichnet. Die beiden Magnetisierungsspuren werden auch als Sin/Cos-Spuren bezeichnet.In preferred embodiments, the rotor position sensor comprises two of the magnetization tracks, which are of identical design and have an angle of rotation offset from one another. The angle of rotation offset is preferably half of an angle of rotation defined by the distance between the poles, which corresponds to a quarter of an angle of rotation defined by the distance of the north or south poles. The two phase-shifted signals are preferably obtained in each case by measuring against one of the two magnetization tracks. The two phase-shifted signals are also referred to as Sin / Cos signals. The two magnetization tracks are also called Sin / Cos tracks.

Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Rotorlagegeber nur die eine Magnetisierungsspur. Die beiden phasenversetzten Signale werden dadurch gemessen, dass eine tangentiale Richtungskomponente und eine radiale Richtungskomponente des durch die Pole der einen Magnetisierungsspur bewirkten Magnetfeldes gemessen werden.In alternative preferred embodiments, the rotor position sensor only comprises the one magnetization track. The two phase-shifted signals are measured by measuring a tangential direction component and a radial direction component of the magnetic field caused by the poles of the one magnetization track.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt weiterhin dazu ausgebildet, einen die elektrische Maschine bildenden Motor feldorientiert zu regeln. Eine derartige Regelung wird auch als Vektorregelung bezeichnet. Die feldorientierte Regelung erfolgt somit nicht lediglich ausgehend von der relativen Drehwinkelposition bzw. von dem elektrischen Winkel, sondern auch ausgehend von der absoluten Drehwinkelposition bzw. von dem mechanischen Winkel. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Motors gesteigert und es kann eine bessere Momententreue erzielt werden, da durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Korrekturlinie erzeugt werden kann, die sich auf den mechanischen Winkel bezieht und somit den Winkel genauer messbar macht.The method according to the invention is preferably further configured to control a motor forming the electrical machine in a field-oriented manner. Such regulation is also referred to as vector regulation. The field-oriented control is therefore not only based on the relative angle of rotation position or the electrical angle, but also on the basis of the absolute angle of rotation position or the mechanical angle. As a result, the efficiency of the motor is increased and better torque accuracy can be achieved since the method according to the invention can generate a correction line which relates to the mechanical angle and thus makes the angle more precisely measurable.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt weiterhin dazu ausgebildet, störenden Geräuschen des Motors und/oder einer vom Motor getriebenen Getriebestufe entgegenzuwirken. Hierfür wird bei der feldorientierten Regelung des Motors mindestens eine elektrische Schwingung mit einer Frequenz, die ein Nicht-Vielfaches einer Frequenz einer Grundschwingung eines den Motor antreibenden Stromes beträgt, aufgeprägt. Bezogen auf den mechanischen Winkel sind dies bevorzugt alle Nicht-Vielfachen der elektrischen Ordnung, beispielsweise bei einem Motor mit 20 elektrischen Perioden pro mechanischer Umdrehung sind diese alle Nicht-Vielfachen von 20, wie beispielsweise die 47. Ordnung.The method according to the invention is preferably further designed to counteract disturbing noises of the engine and / or a gear stage driven by the engine. For this purpose, at least one electrical oscillation with a frequency that is a non-multiple of a frequency of a fundamental oscillation of a current driving the motor is impressed in the field-oriented regulation of the motor. Based on the mechanical angle, these are preferably all non-multiples of the electrical order, for example in the case of a motor with 20 electrical periods per mechanical revolution, these are all non-multiples of 20, such as the 47th order.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt weiterhin dazu ausgebildet, den bestimmten absoluten Drehwinkel zur Regelung einer mechanischen Position der elektrischen Maschine zu nutzen. Bevorzugt ist das Verfahren zur Synchronisation mit einem Getriebe, zum Einlegen einer Parksperre eines Fahrzeuges und/oder zur Ausführung autonomer Fahrfunktionen, wie beispielsweise Rangieren, Parken, Bordsteinüberfahren usw. ausgebildet.The method according to the invention is preferably also designed to use the determined absolute angle of rotation to regulate a mechanical position of the electrical machine. The method is preferably designed for synchronization with a transmission, for engaging a parking lock of a vehicle and / or for performing autonomous driving functions, such as maneuvering, parking, driving over curbs, etc.

Die erfindungsgemäße Drehwinkelmesseinheit dient zum Messen eines absoluten Drehwinkels einer mehrphasigen elektrischen Maschine. Die Drehwinkelmesseinheit umfasst einen Rotorlagegeber, welcher mindestens eine umlaufende Magnetisierungsspur mit einer Vielzahl an wechselnden magnetischen Polen als Enkoder umfasst: Einer der Pole der mindestens einen Magnetisierungsspur weist eine sich von der Magnetisierung der übrigen Pole unterscheidende Magnetisierung auf und bildet somit einen Referenzpol. Die Drehwinkelmesseinheit umfasst mindestens einen Magnetfeldsensor zum Messen eines durch die Pole der mindestens einen umlaufenden Magnetisierungsspur bewirkten Magnetfeldes. Die Drehwinkelmesseinheit umfasst weiterhin eine Messsignalverarbeitungseinheit, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Die Messsignalverarbeitungseinheit ist bevorzugt zur Ausführung einer der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Im Übrigen weist die Drehwinkelmesseinheit bevorzugt auch solche Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind. The rotation angle measuring unit according to the invention is used to measure an absolute rotation angle of a multi-phase electrical machine. The rotation angle measuring unit comprises a rotor position sensor, which comprises at least one rotating magnetization track with a plurality of alternating magnetic poles as encoders: one of the poles of the at least one magnetization track has a magnetization that differs from the magnetization of the other poles and thus forms a reference pole. The rotation angle measuring unit comprises at least one magnetic field sensor for measuring a magnetic field caused by the poles of the at least one revolving magnetization track. The rotation angle measuring unit further comprises a measuring signal processing unit which is configured to carry out the method according to the invention. The measurement signal processing unit is preferably configured to carry out one of the described preferred embodiments of the method according to the invention. In addition, the rotation angle measuring unit preferably also has those features which are described in connection with the method according to the invention.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1 ein Diagramm von Sin/Cos-Signalen, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemessen werden;
2 ein Diagramm eines Drehwinkelwertes, welcher aus den in 1 gezeigten Sin/Cos-Signalen ermittelt wurde;
3 einen Ausschnitt des in 1 gezeigten Diagrammes;
4 ein Diagramm des in 2 gezeigten Drehwinkelwertes vor einer Korrektur; und
5 einen Ausschnitt des in 2 gezeigten Diagrammes.

Further details, advantages and developments of the invention result from the following description of a preferred embodiment of the invention, with reference to the drawing. Show it:

1 a diagram of Sin / Cos signals which are measured according to a preferred embodiment of a method according to the invention;
2nd a diagram of a rotation angle value, which from the in 1 shown Sin / Cos signals was determined;
3rd a section of the in 1 shown diagram;
4th a diagram of the in 2nd shown angle of rotation value before a correction; and
5 a section of the in 2nd shown diagram.

1 zeigt ein Diagramm von Sin/Cos-Signalen, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemessen werden. Das Diagramm zeigt ein Sinussignal 01 und ein Cosinussignal 02 über die Zeit t. Auf der y-Achse ist die Spannung U des Sinussignals 01 und des Cosinussignals 02 einheitenlos aufgetragen. 1 shows a diagram of Sin / Cos signals which are measured according to a preferred embodiment of a method according to the invention. The diagram shows a sine signal 01 and a cosine signal 02 over time t. The voltage U of the sinusoidal signal is on the y-axis 01 and the cosine signal 02 applied without a unit.

Das Sinussignal 01 und das Cosinussignal 02 sind die Ausgangssignale zweier Magnetfeldsensoren (nicht gezeigt), welche zwei Magnetisierungsspuren eines rotierenden Multipolenkoders (nicht gezeigt) gegenüberstehen. Der Multipolenkoder (nicht gezeigt) weist in beiden Magnetisierungsspuren jeweils einen Referenzpol auf, der eine kleinere Magnetisierung als die übrigen Pole besitzt. Das Sinussignal 01 und das Cosinussignal 02 weisen jeweils eine Periode 03 auf, welche durch den Referenzpol bewirkt wird und daher eine kleinere Amplitude als die übrigen Perioden des Sinussignals 01 bzw. des Cosinussignals 02 besitzt. Dem Referenzpol (nicht gezeigt) ist eine absolute Referenzdrehwinkelposition zugeordnet, welche erfindungsgemäß anhand der die kleineren Amplituden aufweisenden Perioden 03 während einer ersten Umdrehung detektiert wird. Anschließend wird der Drehwinkel anhand der weiteren Perioden des Sinussignals 01 und des Cosinussignals 02 relativ gemessen, wobei durch einen Bezug auf die absolute Referenzdrehwinkelposition der absolute Drehwinkel laufend bestimmt wird.The sine signal 01 and the cosine signal 02 are the output signals of two magnetic field sensors (not shown), which face two magnetization tracks of a rotating multipole encoder (not shown). The multipole encoder (not shown) each has a reference pole in both magnetization tracks, which has a smaller magnetization than the other poles. The sine signal 01 and the cosine signal 02 each have a period 03 which is caused by the reference pole and therefore a smaller amplitude than the other periods of the sinusoidal signal 01 or the cosine signal 02 owns. An absolute reference rotational angle position is assigned to the reference pole (not shown), which according to the invention is based on the periods having the smaller amplitudes 03 is detected during a first revolution. Then the angle of rotation is based on the other periods of the sine signal 01 and the cosine signal 02 measured relatively, whereby the absolute angle of rotation is continuously determined by reference to the absolute reference angle of rotation position.

2 zeigt ein Diagramm eines Drehwinkelwertes 04, welcher durch Anwenden einer Arkustangens(2)-Funktion auf das in 1 gezeigte Sinussignal 01 und Cosinussignal 02 ermittelt wurde. Der Drehwinkelwert 04 ist über die Zeit t aufgetragen und weist einen dreiecksignalförmigen Verlauf auf. Auf der y-Achse ist der relative Drehwinkel φ, welcher hier auch als elektrischer Drehwinkel bezeichnet werden kann, in Radiant aufgetragen. 2nd shows a diagram of a rotation angle value 04 which by applying an arctangent ( 2nd ) Function on the in 1 shown sine signal 01 and cosine signal 02 was determined. The angle of rotation value 04 is plotted over time t and has a triangular waveform. The relative rotation angle is on the y-axis φ , which can also be referred to as the electrical angle of rotation, is plotted in radians.

3 zeigt einen Ausschnitt des in 1 gezeigten Diagrammes. Es sind etwa zwei Perioden des Sinussignals 01 und des Cosinussignals 02 dargestellt. 3rd shows a section of the in 1 shown diagram. There are about two periods of the sine signal 01 and the cosine signal 02 shown.

4 zeigt ein Diagramm des in 1 gezeigten Drehwinkelwertes 04 vor einer Korrektur. Da die Pole der beiden Magnetisierungsspuren des rotierenden Multipolenkoders (nicht gezeigt) nicht ideal gleich sind, weist ein unkorrigierter Drehwinkelwert 06 Abweichungen auf. 4th shows a diagram of the in 1 shown angle of rotation value 04 before a correction. Since the poles of the two magnetization tracks of the rotating multipole encoder (not shown) are not ideally the same, an uncorrected angle of rotation value 06 Deviations on.

5 zeigt einen Ausschnitt des in 2 gezeigten Diagrammes. Es sind etwa zwei Perioden des Signals des korrigierten Drehwinkelwertes 04 dargestellt. 5 shows a section of the in 2nd shown diagram. There are about two periods of the signal of the corrected angle of rotation value 04 shown.

BezugszeichenlisteReference list

0101: SinussignalSinusoidal signal
0202: CosinussignalCosine signal
0303: durch Referenzpol bewirkte PeriodePeriod caused by reference pole
0404: DrehwinkelwertAngle of rotation value
0505: --
0606: unkorrigierter Drehwinkelwertuncorrected angle of rotation value

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant has been generated automatically and is only included for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102013203388 B3 [0002]
DE 102008042829 A1 [0003]
DE 102012204147 A1 [0004]
DE 102011105502 A1 [0005]
DE 10253388 B4 [0006]
DE 10213375 A1 [0007]
DE 102006033525 A1 [0008]

Claims

Method for measuring an absolute angle of rotation of a multi-phase electrical machine, which comprises a stator and a rotor which can be rotated with respect to the stator, and which comprises a rotor position encoder which comprises at least one rotating magnetization track with a plurality of alternating magnetic poles as an encoder; wherein at least one of the poles of the at least one magnetization track has a magnetization that differs from the individual magnetizations of the other poles and thereby forms a reference pole, the reference pole being assigned a reference rotational angle position; and the method comprises the following steps: Detecting the at least one reference pole during a first rotation of the rotor, whereby the reference rotational angle position is detected during the first rotation of the rotor; Detecting the further poles while the rotor continues to rotate after the detection of the reference rotational angle position in order to determine a relative change in the rotational angle; and - Determining the absolute angle of rotation of the rotor by adding the relative change in the angle of rotation to the detected reference angle of rotation position.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that two phase-shifted signals (01, 02) are measured to detect the magnetic poles, an arc function value (04, 06) for a quotient of the two phase-shifted signals (01, 02) being determined to determine the relative change in the angle of rotation .

Procedure according to Claim 2 , characterized in that the two phase-shifted signals (01, 02) are also used to detect the reference pole.

Procedure according to Claim 3 , characterized in that, when the rotor has the reference rotational angle position, the two phase-shifted signals (01, 02) have a smaller amplitude (03) or a greater amplitude than in rotational angle positions in which the two phase-shifted signals (01, 02) by the other poles.

Procedure according to one of the Claims 2 to 4th , characterized in that the arc function value (04, 06) during rotation of the rotor in the period of the individual phase-shifted signals (01, 02) caused by the reference pole has the same course as in the periods of the individual phase-shifted signals caused by the other poles ( 01, 02).

Procedure according to one of the Claims 2 to 5 , characterized in that the rotor position sensor comprises two of the magnetization tracks, which are of identical design and have an angle of rotation offset to one another which is half of an angle of rotation defined by the distance between the poles, the two phase-shifted signals (01, 02) each by measuring against one another of the two traces of magnetization can be obtained.

Procedure according to one of the Claims 2 to 5 , characterized in that the two phase-shifted signals (01, 02) are measured by measuring a tangential direction component and a radial direction component of the magnetic field caused by the poles of the magnetization track.

Procedure according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that it is further configured to control a motor forming the electrical machine based on the determined absolute angle of rotation in a field-oriented manner.

Procedure according to Claim 8 , characterized in that it is further configured to apply at least one electrical oscillation at a frequency which is a non-multiple of a frequency of a fundamental oscillation of a current driving the motor during the regulation of the motor, in order to make noise from the motor or from the motor counteracted gear stage.

Rotation angle measuring unit for measuring an absolute rotation angle of a multi-phase electrical machine, the rotation angle measuring unit comprising a rotor position encoder which comprises at least one rotating magnetization track with a plurality of alternating magnetic poles as an encoder, one of the poles of the at least one magnetization track differing from the magnetization of the others Has pole-distinguishing magnetization and forms a reference pole, the rotation angle measuring unit comprising at least one magnetic field sensor for measuring a magnetic field caused by the poles of the at least one rotating magnetization track, and wherein the rotation angle measuring unit comprises a measurement signal processing unit which is used to carry out a method according to one of the Claims 1 to 9 is configured.